[其他]制备半导体化合物薄膜的射频溅射法

说明书

本发明是半导体化合物薄膜的制备方法，适用于含高蒸汽压组份的Ⅲ-Ⅴ族化合物（如磷化物）薄膜的制备。

制备半导体薄膜的常用方法有：汽相外延（VPE）、液相外延（LPE）、金属有机化合物气相沉积（MOCVD），分子束外延（MBE）以及其他物理方法，如射频溅射或真空蒸发法等。上述外延法能获得性能良好的半导体单晶薄膜，已生长了一系列二元、三元和四元的Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物。但外延法也存在某种局限性，不能解决器件提出的所有问题，又如MOCVD的工艺复杂，设备昂贵，特别是分子束外延设备的投资更大。

多年来，一直在探索用射频溅射或真空蒸发法生长Ⅲ-Ⅴ族半导体薄膜。用溅射法已制备了砷化镓（GaAs）、锑化镓（GaSb）、锑化铟（InSb）、镓铝砷（Ga_1-xAl_xAs）、铟铝锑（In_1-xAl_xSb）及磷化镓（GaP）等化合物薄膜。例如：J.Sosniak（J.Vacu.Scie & Tech 7，110，1970）及K.Starosta（Thin Solid Films，61，241，1979）分别以多晶GaP园片或烧结GaP园片作靶，并置于溅射室上方，而衬底托盘在下方，衬底则安放于其表面，通过溅射沉积获得了非晶态或多晶的GaP薄膜。前一文中提及，在溅射时，出现磷化氢（PH₃）化合物，是氢与磷反应的结果，因而表明所获GaP薄膜是偏离了GaP靶的化学计量比。

磷化铟（InP）是目前发展最为迅速的半导体材料之一。日本特许（公告号1982年016960号）报道了用汽相外延生长磷化铟（InP）的方法。但因工艺上的困难，至今仍未见有关射频溅射法制备InP薄膜的报道。

本发明提出了一种能用射频溅射法制取有较好化学计量比的Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物薄膜，特别是磷化物薄膜的方法。根据衬底材料及其晶向，沉积时的衬底温度等条件的不同，可得到非晶态，多晶或单晶薄膜。

考虑到化合物中五族元素的高蒸气压是溅射的薄膜中缺少五族元素而偏离化学计量比的原因，本发明用合成Ⅲ-Ⅴ族化合物块锭或碎料（例如磷化物，砷化物）和相应的少量高蒸气压的五族元素（如磷或砷）材料一起作靶，而共溅射沉积薄膜，用不锈钢园盘盛放靶材料及五族元素等碎料或块锭，并置于溅射室下方的阴极表面上，作为靶，并在其边缘周围加上屏蔽罩屏蔽，而将衬底置于附有加热器的衬底托盘表面上，该托盘安装在溅射室上方。采用这样的溅射装置可使化合物和高蒸气压的五族元素达到共溅射沉积，并获得较好化学计量比的薄膜。藉此法可溅射沉积磷化物（如磷化铟、磷化镓）、砷化物、锑化物或其他Ⅲ-Ⅴ族三元或四元化合物等。

作为一个实施例，使用普通的13.5兆周3千瓦的射频溅射仪及氩气净化系统，在溅射室的下方有带屏蔽罩的水冷不锈钢阴极，其上有盛放合成高纯磷化铟多晶碎料和少量红磷的小园盘作为靶。衬底置于靶的上方，衬底托盘附有水冷却或加热装置，衬底为不同晶向的砷化镓单晶片，磷化铟单晶片，兰宝石或光学玻璃片等。它们固定于托盘表面，藉校正的Ni-Cr热电偶测量温度，系统予真空为10^-6乇，在1～5×10^-2乇氩气压强下进行予溅射InP靶和反溅射衬底等表面清洁处理，然后在衬底上溅射沉积InP薄膜。

在水冷衬底上得到的是非晶态InP薄膜。衬底温度高于230℃，可在GaAs，InP及兰宝石衬底上形成多晶InP膜。280-350℃的衬底温度下，在<100>晶向的GaAs，InP和<311>晶向的GaAs衬底上形成InP单晶膜。290～335℃衬底温度下，在<111>晶向的GaAs，InP和<110>晶向的砷化镓衬底上可形成较薄的InP单晶膜。单晶InP薄膜为N型，载流子浓度为10¹⁶～10¹⁸cm^-3。电阻率为10～10^-3Ωcm。

用本发明溅射形成的InP薄膜，经X-光衍射法，反射电子衍射法，俄歇光谱和扫描电子显微镜等方法测试表明，InP薄膜表面平整，有较好的化学计量比，在一定的沉积条件下，可得到InP非晶态，多晶或单晶薄膜，可用来制备器件。在光学玻璃片上溅射沉积的InP薄膜用来制备红外滤色片及红外衰减器，可用于测试仪器上。